Κεφάλαιο 2.1 – Μεταβολή ενέργειας κατά τις χημικές μεταβολές, Ενδόθερμες – Εξώθερμες αντιδράσεις – Θερμότητα αντίδρασης ενθαλπία (σελ. 62-67) – Απαντήσεις – Λύσεις

Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα

Άσκηση 1 (σελ. 63)

Τι είναι εξώθερμη και τι ενδόθερμη αντίδραση;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμών.

Απάντηση: Εξώθερμη είναι η αντίδραση που ελευθερώνει ενέργεια υπό μορφή θερμότητας στο περιβάλλον. Ενδόθερμη είναι η αντίδραση που απορροφά ενέργεια υπό μορφή θερμότητας από το περιβάλλον.

Άσκηση 2 (σελ. 63)

Η μεταβολή ενθαλπίας ΔΗ εξώθερμης αντίδρασης είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από το μηδέν;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση: σε εξώθερμη αντίδραση Ητελ<Ηαρχ.

Απάντηση: Είναι μικρότερη από το μηδέν (ΔΗ<0), αφού η ενθαλπία των προϊόντων είναι μικρότερη από των αντιδρώντων.

Άσκηση 3 (σελ. 63)

Τι είναι πρότυπη κατάσταση;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού.

Απάντηση: Πρότυπη κατάσταση μιας ουσίας είναι η πιο σταθερή μορφή της σε θερμοκρασία 25 °C και πίεση 1 atm, και για διαλύματα σε συγκέντρωση c=1 M.

Άσκηση 4 (σελ. 63)

Πώς ορίζεται η πρότυπη ενθαλπία αντίδρασης;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού.

Απάντηση: Πρότυπη ενθαλπία αντίδρασης είναι η μεταβολή ενθαλπίας ΔΗ° μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων, όταν αυτά βρίσκονται στην πρότυπη κατάστασή τους.

Άσκηση 5 (σελ. 63)

Τι ονομάζεται πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού και τι πρότυπη ενθαλπία καύσης;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμών.

Απάντηση: Πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού μιας ένωσης είναι η μεταβολή ενθαλπίας κατά τον σχηματισμό 1 mol της ένωσης από τα συστατικά της στοιχεία, σε πρότυπη κατάσταση. Πρότυπη ενθαλπία καύσης μιας ουσίας είναι η μεταβολή ενθαλπίας κατά την πλήρη καύση 1 mol της ουσίας, σε πρότυπη κατάσταση.

Άσκηση 6 (σελ. 63)

Πώς συσχετίζεται η ενθαλπία μιας αντίδρασης με τις ενθαλπίες δεσμών των αντιδρώντων και προϊόντων;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η δημιουργία δεσμών είναι εξώθερμη, η διάσπαση ενδόθερμη.

Απάντηση: ΔΗαντίδρασης = ΣΔΗ(δεσμών που διασπώνται στα αντιδρώντα) − ΣΔΗ(δεσμών που σχηματίζονται στα προϊόντα).

Άσκηση 11 (σελ. 63)

Να χαρακτηρίσετε με Σ ή Λ: α. Οι αντιδράσεις που ελευθερώνουν ενέργεια υπό μορφή θερμότητας ονομάζονται εξώθερμες. β. Στις εξώθερμες αντιδράσεις έχουμε ΔΗ>0. γ. Η πρότυπη κατάσταση αναφέρεται σε P=1 atm και T=0 °C. δ. Η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού μιας ουσίας είναι πάντοτε ίση με την πρότυπη ενθαλπία καύσης της.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Έλεγχος κάθε πρότασης ξεχωριστά έναντι των ορισμών του §2.1.

Λύση:

1. α. Σωστό — ακριβώς ο ορισμός της εξώθερμης αντίδρασης.
2. β. Λάθος — στις εξώθερμες αντιδράσεις ΔΗ<0, όχι >0.
3. γ. Λάθος — η πρότυπη κατάσταση αναφέρεται σε T=25 °C, όχι 0 °C.
4. δ. Λάθος — οι δύο ενθαλπίες ταυτίζονται μόνο στην ειδική περίπτωση που η ίδια αντίδραση είναι ταυτόχρονα και σχηματισμός και καύση· γενικά διαφέρουν.

Απάντηση: α. Σ, β. Λ, γ. Λ, δ. Λ.

Άσκηση 12 (σελ. 63)

Να συμπληρώσετε τα κενά: α. Οι αντιδράσεις που ελευθερώνουν ενέργεια υπό ................. μορφή, ................. ονομάζονται ................. Οι αντιδράσεις που ................. ενέργεια υπό τη μορφή ................., ονομάζονται ενδόθερμες. β. Ενθαλπία αντίδρασης είναι η ................. μεταξύ των αντιδρώντων και ................., για δεδομένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. γ. Η θερμότητα μιας αντίδρασης προσδιορίζεται πειραματικά με .................

Σκέψη / Μεθοδολογία: Συμπλήρωση με τους όρους των ορισμών του κεφαλαίου.

Απάντηση: α. ...υπό μορφή θερμότητας, στο περιβάλλον, ονομάζονται εξώθερμες. Οι αντιδράσεις που απορροφούν ενέργεια υπό τη μορφή θερμότητας, ονομάζονται ενδόθερμες. β. ...η διαφορά (μεταβολή) ενθαλπίας μεταξύ των αντιδρώντων και προϊόντων, για δεδομένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. γ. ...με θερμιδόμετρο.

Άσκηση 13 (σελ. 64)

Κατά την πλήρη καύση 8 g CH₄ ελευθερώνονται 445 kJ, με όλες τις ουσίες σε πρότυπη κατάσταση. Ποια είναι η σωστή θερμοχημική εξίσωση; (α) CH₄(g)+2O₂(g)→CO₂(g)+2H₂O(ℓ), ΔΗ°=890 kJ. (β) ... ΔΗ°=−445 kJ. (γ) ... ΔΗ°=−890 kJ. (δ) ... ΔΗ°=445 kJ.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Αναγωγή στα 1 mol CH₄ (16 g) με απλή αναλογία, και προσοχή στο πρόσημο (η καύση είναι πάντα εξώθερμη).

Λύση:

1. Αναλογία: 8 g : 445 kJ = 16 g : x ⟹ x = 890 kJ.
2. Η καύση ελευθερώνει θερμότητα, άρα είναι εξώθερμη ⟹ ΔΗ°=−890 kJ (όχι θετικό).

Απάντηση: γ. ΔΗ°=−890 kJ.

Άσκηση 14 (σελ. 64)

Για ποια από τις επόμενες αντιδράσεις ισχύει ΔΗ°αντίδρασης=ΔΗ°f (πρότυπη ενθαλπία αντίδρασης = πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού); Η σταθερή μορφή του άνθρακα στους 25 °C είναι ο γραφίτης και του θείου το ρομβικό θείο. (α) H₂(g)+S(ρομβικό)→H₂S(g). (β) C(διαμάντι)+O₂(g)→CO₂(g). (γ) H₂(g)+CuO(s)→H₂O(ℓ)+Cu(s). (δ) NH₃(g)+HCl(g)→NH₄Cl(s).

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η ΔΗf ισχύει μόνο για σχηματισμό 1 mol ένωσης ΑΠΟ ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ, στην πιο σταθερή τους μορφή.

Λύση:

1. α. Η₂(g) και S(ρομβικό) είναι τα στοιχεία στην πιο σταθερή τους μορφή, και σχηματίζεται 1 mol H₂S ⟹ πρόκειται ακριβώς για αντίδραση σχηματισμού.
2. β. Χρησιμοποιείται διαμάντι, όχι γραφίτης (η σταθερή μορφή) ⟹ ΔΗ εδώ ΔΕΝ είναι η ΔΗf του CO₂.
3. γ. Τα αντιδρώντα (H₂, CuO) δεν είναι και τα δύο στοιχεία ⟹ δεν είναι αντίδραση σχηματισμού.
4. δ. Τα αντιδρώντα (NH₃, HCl) είναι ενώσεις, όχι στοιχεία ⟹ δεν είναι αντίδραση σχηματισμού.

Απάντηση: α.

Άσκηση 15 (σελ. 64)

Δίνεται η αντίδραση P₄(s)+5O₂(g)→2P₂O₅(s), ΔΗ=−3010 kJ. Πόση θερμότητα θα ελευθερωθεί αν καούν πλήρως 6,2 g φωσφόρου P₄;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Βρίσκουμε τα mol P₄ (Mr=124) και εφαρμόζουμε απλή αναλογία με τη δοσμένη ΔΗ ανά mol P₄.

Λύση:

1. mol P₄ = 6,2/124 = 0,05 mol
2. Θερμότητα = 0,05×3010 = 150,5 kJ

Απάντηση: Ελευθερώνονται 150,5 kJ.

Άσκηση 16 (σελ. 64)

Η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού του HCl είναι −92,3 kJ/mol. Να γράψετε τη θερμοχημική εξίσωση σχηματισμού του HCl.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η ΔΗf αναφέρεται σε σχηματισμό 1 mol HCl από τα στοιχεία του (H₂, Cl₂) στην πρότυπη κατάστασή τους.

Λύση:

1. Τα στοιχεία H και Cl βρίσκονται ως διατομικά αέρια H₂(g), Cl₂(g)· για 1 mol HCl χρειάζεται ½ mol από καθένα.

Απάντηση: ½H₂(g) + ½Cl₂(g) → HCl(g), ΔΗ°f = −92,3 kJ.

Άσκηση 17 (σελ. 64)

Να εξηγήσετε τη διαφορά στις ενθαλπίες σχηματισμού: 2H₂(g)+O₂(g)→2H₂O(ℓ), ΔΗ°₁=−512 kJ και 2H₂(g)+O₂(g)→2H₂O(g), ΔΗ°₂=−464 kJ.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η ΔΗ μιας αντίδρασης εξαρτάται από τη φυσική κατάσταση προϊόντων/αντιδρώντων.

Λύση:

1. Το υγρό νερό έχει μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο από το αέριο νερό (η εξάτμιση απαιτεί ενέργεια).

Απάντηση: Ο σχηματισμός υγρού νερού ελευθερώνει περισσότερη θερμότητα (ΔΗ°₁ πιο αρνητική) από τον σχηματισμό αέριου νερού, γιατί το αέριο H₂O έχει μεγαλύτερο ενεργειακό περιεχόμενο από το υγρό — η διαφορά (512−464=48 kJ για 2 mol, δηλαδή 24 kJ/mol) αντιστοιχεί περίπου στη θερμότητα εξάτμισης του νερού.

Άσκηση 18 (σελ. 64)

Πόσα γραμμάρια άνθρακα πρέπει να καούν πλήρως για να πάρουμε τόση θερμότητα, όση χρειάζεται για την πλήρη διάσπαση 2 mol Al₂O₃ σε Al και O₂; Δίνονται οι ενθαλπίες σχηματισμού: ΔΗ°f(CO₂)=−394 kJ/mol και ΔΗ°f(Al₂O₃)=−1600 kJ/mol.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η διάσπαση είναι η αντίστροφη της αντίδρασης σχηματισμού (νόμος Lavoisier-Laplace), άρα απορροφά όση ενέργεια ελευθερώνει ο σχηματισμός. Η καύση άνθρακα ελευθερώνει |ΔΗf(CO₂)| ανά mol C.

Λύση:

1. Ενέργεια διάσπασης 2 mol Al₂O₃ = 2×1600 = 3200 kJ (απαιτούμενη).
2. Καύση C: C(s)+O₂(g)→CO₂(g), ελευθερώνει 394 kJ/mol C.
3. mol C = 3200/394 = 8,12 mol ⟹ m(C) = 8,12×12 = 97,46 g.

Απάντηση: Χρειάζεται να καούν 97,46 g άνθρακα.

Άσκηση 19 (σελ. 64)

6 g μείγματος μεθανίου και αιθυλενίου καίγονται πλήρως και ελευθερώνονται 261,4 kJ. Ποια είναι η σύσταση του μείγματος, αν ΔΗc(CH₄)=−802 kJ/mol και ΔΗc(C₂H₄)=−1010 kJ/mol;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Σύστημα δύο εξισώσεων (μάζας και θερμότητας) με αγνώστους τα mol x του CH₄ και y του C₂H₄.

Λύση:

1. 16x+28y=6 (μάζα) και 802x+1010y=261,4 (θερμότητα)
2. Από την πρώτη: x=(6−28y)/16. Αντικατάσταση: 802(6−28y)/16+1010y=261,4 ⟹ 300,75−393,5y=261,4
3. y=0,1 mol ⟹ m(C₂H₄)=0,1×28=2,8 g
4. x=(6−2,8)/16=0,2 mol ⟹ m(CH₄)=0,2×16=3,2 g

Απάντηση: Το μείγμα περιέχει 3,2 g CH₄ και 2,8 g C₂H₄.

Άσκηση 20 (σελ. 64)

Η ενθαλπία εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση είναι ΔΗn=−57,1 kJ/mol. Πόση θερμότητα ελευθερώνεται αν αναμιχθούν 3 L διαλύματος HCl 0,2 M με 2 L διαλύματος NaOH 0,25 M;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Βρίσκουμε τα mol κάθε αντιδρώντος, εντοπίζουμε το περιοριστικό, και πολλαπλασιάζουμε με τη ΔΗn ανά mol.

Λύση:

1. mol HCl = 3×0,2 = 0,6 mol, mol NaOH = 2×0,25 = 0,5 mol ⟹ περιοριστικό το NaOH
2. Θερμότητα = 0,5×57,1 = 28,55 kJ

Απάντηση: Ελευθερώνονται 28,55 kJ.

Άσκηση 21 (σελ. 65)

Η διάλυση του NH₄NO₃ στο νερό είναι ενδόθερμη με θερμότητα διάλυσης 25,06 kJ/mol (χρησιμοποιείται σε «παγοκύστεις»). Να βρεθεί η θερμότητα που απορροφάται όταν διαλυθούν 10 g νιτρικού αμμωνίου.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Βρίσκουμε τα mol NH₄NO₃ (Mr=80) και πολλαπλασιάζουμε με τη δοσμένη ΔΗsol ανά mol.

Λύση:

1. mol NH₄NO₃ = 10/80 = 0,125 mol
2. Θερμότητα = 0,125×25,06 = 3,13 kJ

Απάντηση: Απορροφώνται 3,13 kJ.

Άσκηση 22 (σελ. 65)

Δίνεται ότι η πρότυπη ενθαλπία καύσης του CH₄ είναι ΔΗ°c=−890 kJ/mol. Να αντιστοιχίσετε κάθε ποσότητα μεθανίου της στήλης Ι με το ποσό θερμότητας που ελευθερώνεται κατά την καύση της (στήλη ΙΙ). Στήλη Ι: 1) 2 mol, 2) 8 g, 3) 80 g, 4) 16 g. Στήλη ΙΙ: α) 445 kJ, β) 890 kJ, γ) 4450 kJ, δ) 1780 kJ.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Μετατρέπουμε κάθε ποσότητα σε mol και πολλαπλασιάζουμε με 890 kJ/mol.

Λύση:

1. 1. 2 mol → 2×890=1780 kJ (δ)
2. 2. 8 g = 0,5 mol → 0,5×890=445 kJ (α)
3. 3. 80 g = 5 mol → 5×890=4450 kJ (γ)
4. 4. 16 g = 1 mol → 1×890=890 kJ (β)

Απάντηση: 1-δ, 2-α, 3-γ, 4-β.

Άσκηση 34 (σελ. 66)

Για τη διάσπαση ενός δεσμού H-H απαιτείται ενέργεια 7,4×10⁻¹⁹ J. Να βρεθεί η θερμότητα που ελευθερώνεται όταν σχηματίζονται 8 g H₂ με σύνδεση ατόμων υδρογόνου. Δίνεται NA=6,02×10²³ mol⁻¹.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η ενέργεια σχηματισμού δεσμού είναι ίση σε απόλυτη τιμή με την ενέργεια διάσπασής του (εξώθερμο αντί ενδόθερμο). Υπολογίζουμε πρώτα τη μοριακή ενθαλπία δεσμού, μετά τα mol H₂.

Λύση:

1. Ενέργεια ανά mol δεσμών = 7,4×10⁻¹⁹×6,02×10²³ = 445480 J/mol ≈ 445,5 kJ/mol
2. mol H₂ σε 8 g = 8/2 = 4 mol
3. Θερμότητα = 4×445,5 = 1782 kJ

Απάντηση: Ελευθερώνονται περίπου 1782 kJ.

Άσκηση 37 (σελ. 67)

Σε 4 L διαλύματος ασθενούς οξέος HA 0,2 M προσθέτουμε 2 L διαλύματος NaOH 0,25 M και ελευθερώνεται θερμότητα 25,4 kJ. Ποια η ΔΗ της αντίδρασης HA+NaOH→NaA+H₂O; Γιατί διαφέρει από τη ΔΗn εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος-ισχυρής βάσης;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Βρίσκουμε το περιοριστικό αντιδρών και τη ΔΗ ανά mol H₂O που σχηματίστηκε· συγκρίνουμε με τα −57,1 kJ/mol της ισχυρής εξουδετέρωσης.

Λύση:

1. mol HA = 4×0,2 = 0,8 mol, mol NaOH = 2×0,25 = 0,5 mol ⟹ περιοριστικό το NaOH
2. ΔΗ = −25,4/0,5 = −50,8 kJ/mol
3. Η τιμή (−50,8 kJ) είναι μικρότερη σε απόλυτη τιμή από τα −57,1 kJ/mol του ισχυρού οξέος, γιατί μέρος της ελευθερούμενης ενέργειας δαπανάται για τον (ενδόθερμο) ιοντισμό του ασθενούς οξέος HA.

Απάντηση: ΔΗ = −50,8 kJ/mol (ενθαλπία εξουδετέρωσης του ασθενούς οξέος HA).

Άσκηση 41 (σελ. 68)

Ο θερμίτης είναι το μείγμα Al και Fe₂O₃ που χρησιμοποιείται για συγκόλληση σιδηροτροχιών, μέσω της ισχυρά εξώθερμης αντίδρασης 2Al+Fe₂O₃→Al₂O₃+2Fe (1). Αν οι ενθαλπίες σχηματισμού Al₂O₃ και Fe₂O₃ είναι αντίστοιχα ΔΗ₁=−1650 kJ/mol και ΔΗ₂=−830 kJ/mol: α. Υπολογίστε τη ΔΗ της (1). β. Υπολογίστε τη θερμότητα που ελευθερώνεται από ποσότητα θερμίτη με 1000 g Fe₂O₃ και 270 g Al.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η ΔΗ της αντίδρασης προκύπτει από τις ΔΗf προϊόντων-αντιδρώντων (νόμος Hess). Στο (β) εντοπίζουμε το περιοριστικό αντιδρών.

Λύση:

1. α. ΔΗ(1) = ΔΗf(Al₂O₃) − ΔΗf(Fe₂O₃) = −1650−(−830) = −820 kJ
2. β. mol Fe₂O₃ = 1000/160 = 6,25 mol, mol Al = 270/27 = 10 mol ⟹ αναλογία απαιτούμενη 2:1, άρα για 10 mol Al χρειάζονται 5 mol Fe₂O₃ (< 6,25 διαθέσιμα) ⟹ περιοριστικό το Al
3. Θερμότητα = (10/2)×820 = 4100 kJ

Απάντηση: α. ΔΗ(1)=−820 kJ. β. Ελευθερώνονται 4100 kJ.